Морфология и генеалогия структурных дефектов в вакуумных ионно-плазменных покрытиях

Введение. В качестве основной цели исследования выбрана систематизация и анализ структурных дефектов вакуумных ионно-плазменных покрытий, на основе которых в работе предложены их классификационные принципы. Ещё одной важной частью работы является экспериментальное изучение одного из специфических дефектов покрытий, который авторами предложено назвать «дефектом субструктурного происхождения».

Материалы и методы. В качестве объекта исследований использованы PVD-покрытия различных нитридных и металлических систем толщиной 1,5-9,0 мкм. Покрытия наносили в вакуумных установках с использованием дуговых и магнетронных испарителей. Результаты исследований получены методами электронной микроскопии высокого разрешения, энергодисперсионного анализа и индентирования.

Результаты исследования. В качестве результатов исследования представлены различные виды дефектов ионно-вакуумных покрытий, к которым отнесены нарушения сплошности, деформация кристаллитов, структурные неоднородности. Обоснованы принципы их систематизации. Предложено классифицировать дефекты на капельные, субструктурные и дефекты роста (в зависимости от причин их зарождения), а также на регулярные и стохастические (в зависимости от их распределения в объеме покрытия). Особое место в работе отведено изучению «субструктурных дефектов», отнесенных авторами к типу стохастических. Эти дефекты микрометрических размеров имеют форму цилиндра с конической «головкой». Их главная ось ориентирована перпендикулярно поверхности покрытия. Они имеют особенность экструдироваться (отторгаться) покрытием. В статье обоснован дислокационный механизм их зарождения и геликоидный принцип роста.

Обсуждение и заключения. Резюмируется вывод о том, что предложенная систематизация дефектов ионноплазменных покрытий имеет характер промежуточного результата исследований в этом научном направлении. При этом субструктурные дефекты не оказывают фатального влияния на структуру и свойства покрытия в силу малости своих размеров

1. Varavka, V. N. Multilayered Nanocomposite Coatings for Anti-Erosive Protection. Chapter 5. In book: Piezoelectrics and Nanomaterials: Fundamentals, Developments and Applications; Ivan A. Parinov (ed.) / V. N. Varavka, O. V. Kudryakov, A. V. Ryzhenkov. — Nova Science Publishers, NY, USA, 2015. — P. 105−132

2. Kudryakov, O. V. Structure and properties of multilayered nanocomposite coatings / O. V. Kudryakov, V. N. Varavka, I.Yu. Zabiyaka [et al.] // Int. J. Res. — 2016. — Vol. 46, no. 4 (2). — P. 117−120.

3. Varavka, V. N. Conditions and mechanisms of the defects formation in vacuum ion-plasma coatings / V. N. Varavka, O. V. Kudryakov, I. Yu. Zabiyaka [et al.] // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. — 2019. — Vol. 680 — P. 012021. DOI: 10.1088/1757-899X/680/1/012021

4. Наноструктурные покрытия : сборник ; пер. с англ. / под ред. А. Кавалейро, Д. де Хоссона. — Москва : Техносфера, 2011. — 752 с.

5. Freund, L. B. Thin film materials: stress, defect formation and surface evolution / L. B. Freund., S. Suresh. — Cambridge University Press: Boston, 2003. — 750 p.

6. Cleland, A. N. Foundations of Nanomechanics / A. N. Cleland. — Springer-Verlag: Berlin, Heidelberg, New York, 2003. — 436 p.

7. Сапунов, С. Ю. Строение и свойства никель-цинкового покрытия на стали / С. Ю. Сапунов, О. В. Кудряков, Н. И. Фартушный // Сталь. — 2003. — № 11. — С. 94–96.

8. Вакуумная ионно-плазменная обработка / А. А. Ильин, В. В. Плихунов, Л. М. Петров, В. С. Спектор. — Москва : ИНФРА-М, 2014. — 160 с.

9. Burton, W. K. The growth of crystals and the equilibrium structure of their surfaces / W. K. Burton, N. Cabrera, F. C. Frank // Phil. Trans. R. Soc. Lond. — 1951. — A 243. — P. 299–358.

10. Чернов, А. А. Процессы кристаллизации : Т. 3 Современная кристаллография / Чернов А. А ; под ред. Б. К. Вайнштейна. ― Москва : Наука, 1980. — 408 с.

11. Кудряков, О. В. Структурный критерий коррозионной стойкости «белых слоев» / О. В. Кудряков, В. Н. Пустовойт // Материаловедение. — 1998. — № 7. — С. 33–40.

12. Кудряков, О. В. Феноменология мартенситного превращения и структуры стали / О. В. Кудряков, В. Н. Варавка. — Ростов-на-Дону : Издательский центр ДГТУ, 2004. — 200 с.

13. Формирование дислокационной спирали на грани (010) кристалла бифталата калия (БФК) / Л. Н. Рашкович, Е. В. Петрова, О. А. Шустин, Т. Г. Черневич // Физика твердого тела. — 2003. — Т. 45, № 2. — С. 377–383.

14. Ester, G. R. The relationship between crystal growth and defect structure: a study of potassium hydrogen phthalate using x-ray topography and atomic force microscopy / G. R. Ester, R. Price, P. J. Halfpenny // JOP: Applied Physics. — 1999. — Vol. 32, no. 10A. — P. 128−133.

15. Ester, G. R. Observation of two-dimensional nucleation on the {010} face of potassium hydrogen phthalate (KAP) crystals using ex situ atomic force microscopy / G. R. Ester, P. J. Halfpenny // J. Cryst. Growth. — 1998. — Vol. 187, no. 1. — P. 111−117.

16. Murugakoothan, P. Habit modification of potassium acid phthalate (KAP) single crystals by impurities / P. Murugakoothan, R. M. Kumar, P. M. [et al.] // J. Cryst. Growth. — 1999. — Vol. 207, no. 4. — P. 325−329.